CN104645899B - 快速制备天然气水合物的撞击流反应器及配套系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速制备天然气水合物的撞击流反应器，属于天然气水合物制备领域，该反应器包括外层反应器和内层反应器，外层反应器与内层反应器之间设有筛板；内层反应器内设有盘管冷却器、搅拌器、两个导流筒和气体分布器，搅拌器上设有旋向相反的两层搅拌桨，两层搅拌桨分别位于上部导流筒的顶部和下部导流筒的底部；内层反应器顶部设有进液口和排气口，底部设有进气口，进气口与气体分布器相连通，内层反应器侧壁上设有溢液口。本发明还提供了相应的配套系统和快速制备天然气水合物的方法。本发明通过液体高速撞击破坏天然气水合物的薄膜铠甲层，充分扩大气‑液接触面积，实现气液固三相界面快速更新，加快了天然气水合物的生成速率。

Description

快速制备天然气水合物的撞击流反应器及配套系统和方法
技术领域
本发明属于天然气水合物制备领域，具体涉及一种快速制备天然气水合物的撞击流反应器及配套系统和方法。
背景技术
天然气水合物（NGH）是一种类冰状的笼型络合物，具有高储气特性和自保护效应。1立方米的水合物可以储存标况下160-200立方米的天然气；水合物本身的导热系数很低，仅有0.6W/（m.·K），这使得低温下天然气水合物不易分解。上世纪90年代挪威科技大学Gudmundsson教授首次提出利用天然气水合物的自保护效应和高储气特性，在常压和-15℃～-5℃温度下大规模储运天然气的固态储运技术（Gts）——天然气水合物储运技术。采用该技术常压大规模储运天然气时，不必把水合物冷却至相平衡温度以下，而是利用水合物的自保护效应，将水合物冷冻至水的冰点以下，保持完全绝热就可以保持稳定而不分解。
现今天然气的储运方法主要有管道储运技术（PNG）、压缩天然气储运技术（CNG）、液化天然气储运技术（LNG）和多孔介质吸附天然气储运技术(ANG)。其中绝大部分的天然气采用管道输送，初期投资大且越洋运输不易实现。对于小城镇的小规模用户、孤立海岛和小型分散天然气田、海上气田、丛林或者崎岖的山地等，铺设输气管线非常不经济或者较为困难，制约了天然气的进一步推广应用。天然气水合物（NGH）储运技术是近年来研究发展的一项新技术。Gudmundsson、Najibi, H、Rezaei, R、Javanmardi, J和Nasrifar, K等先后考察了各种天然气储运技术的经济性，结果发现天然气水合物储运天然气（NGH）的成本远低于压缩天然气、液化天然气和多孔介质吸附天然气的储运成本；并且当运输距离超过2000公里后，水合物法固态输运天然气比高压管道输运天然气更为经济。因此，天然气水合物具有存储空间小存储量大、储气条件相对温和、安全高效和经济等优点，这些优点使气体水合物技术在天然气储运领域具有广阔的发展前景。
但就当前的研究现状来看，天然气水合物生产和储运技术仍未成熟。如何经济快速大规模生成水合物是天然气固态储运的第一个关键步骤。该步骤中有两大技术难题，其一是天然气水合物的生成是高放热过程，水合热高达540KJ/Kg，这部分热量如不及时消除，水合反应的温度条件即会打破，生成反应就会因而停止。另外，天然气水合物是在气和水相界面膜处生成，相界面处往往形成水合物薄膜铠甲，其会阻碍传质过程的高速进行。Gudmundsson教授申请了世界上第一个水合物快速生成领域内的专利，其采用传统搅拌式反应器来强化天然气水合物的快速生成。随后，天然气水合物快速生成技术得到了前所未有的关注，大量的气体水合物强化生成技术问世。例如，2001年日本三井株式会社提出的管式水合物反应器以及强化水合物生成工艺（JP 323751 A）；2009年江苏工业学院王树立等提出折叠管式水合物强化工艺与装置（CN 101818088 A）；2001年Moil Oil 有限公司（US 6180843）和 2002年Marathon Oil有限公司（US 6350928）在美国分别提出了采用流化床技术强化水合物生成过程中传质传热效率的新型水合物生成工艺和装置；2008年中国科学院广州能源所白净、梁德青等提出了采用静态超重力技术强化水合物快速生成的工艺和装置(CN 101225338 A)。虽然现有较多的生产水合物的方法及装置问世，但目前仍无法有效地解决水合物生成中气-液-固三相界面的快速更新和水合生成热的快速移除两大问题，仍未实现大规模工业化生产天然气水合物，所以仍需进一步研究开发新型高效的天然气水合物快速生成工艺和成套装备。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种快速制备天然气水合物的撞击流反应器，提供相应的包含该反应器的配套系统和方法则是本发明的另一个目的。
基于上述目的，本发明采用以下技术方案：一种快速制备天然气水合物的撞击流反应器，包括外层反应器和内层反应器，外层反应器与内层反应器之间设有筛板，所述外层反应器底部设有排料口和排水口，排料口设于筛板上方，排水口设于筛板下方；所述内层反应器内设有盘管冷却器、搅拌器、上下两个导流筒和气体分布器，搅拌器上设有两层桨叶旋向相反的搅拌桨，两层搅拌桨分别位于内层反应器上部导流筒的顶部和内层反应器下部导流筒的底部；内层反应器顶部设有进液口和排气口，底部设有进气口，进气口与气体分布器相连通，内层反应器侧壁上设有溢液口。
所述进液口靠近内层反应器内壁，使反应器内的物料分布均匀。
所述导流筒内壁均布有四个轴向设置的挡板，可以增加撞击流的剧烈撞击程度，加快气-液-固的三相表面更新速率和水合生成速率。
包含所述撞击流反应器的配套系统，撞击流反应器的进液口上连接有储罐，储罐上部连接有粉碎机，储罐与进液口之间设有冰水高压泵，内层反应器的进气口上连接有气体增压机，排气口上连接有缓冲罐；外层反应器的排料口上连接有分离器，粉碎机减小冰粒的粒径，降低输送能耗，增大反应接触面积。
所述储罐内设有冷却器，内层反应器的进气口与气体增压机之间设有冷却器，可进一步降低冰水混合物和天然气的温度，避免天然气因压缩加压而产生升温现象。
所述外层反应器的排水口、分离器的出水口分别与储罐相连通，实现水的循环利用。
所述缓冲罐与气体增压机相连，实现天然气的循环利用。
所述气体增压机为压缩机。
利用所述的配套系统快速制备天然气水合物的方法，其步骤为：
（1）通过进液口向内层反应器注入冰水混合物至冰水混合物淹没上层的搅拌桨；
（2）开始搅拌至冰水混合物流动稳定后，通过进气口向内层反应器内通入天然气，待内外层反应器内压力达到4MPa以上时，继续注入冰水混合物，从而形成气-固-液三相混合体系，其中，搅拌器的转速超过350转/min；
（3）在高速旋转的不同旋向搅拌桨推动作用下，同时耦合导流筒和挡板的整流效应，使得内层反应器内上下部的流体高速相对流动，形成高速撞击流；气体经分布器后形成小气泡，其在撞击流作用下直径不断减小，并且在撞击区往返多次运动，极大提高了气泡在内层反应器内的停留时间，极大增加了其与水和冰粒的相接触面积；冰水混合物从进液口进入内层反应器的中部，冰粒在撞击流作用下直径不断减小，也在撞击区多次往返运动，其停留时间也大大延长，极大增加了其与气泡的相接触面积，冰粒表面形成的天然气水合物颗粒在撞击流作用下，不断破碎，天然气水合物颗粒直径逐渐减小；内层反应器内形成的天然气水合物颗粒在撞击区多次往返运动，停留时间大为延长，提供了大量天然气水合物晶核，从而促进了更多的天然气与水或者冰生成天然气水合物；液体夹带冰粒、气泡及天然气水合物颗粒在撞击流作用下，在上下两层搅拌浆之间的中心高速碰撞破碎混合，生成大量微小天然气水合物晶体；天然气水合物的生成热由冰粒的融化和盘管换热器内的冷流体移除，同时高速撞击流能强化该过程的热量传递；
（4）逃逸出撞击区的天然气水合物细小颗粒在上层搅拌桨上的流体区域中逐渐聚结、长大，并漂浮于内层反应器内溶液表面，形成天然气水合物浆，当液面高度达到溢液口时，天然气水合物浆溢流进入外层反应器，经筛板初步分离后，大部分水经排水口循环利用，含部分水的天然气水合物浆经外层反应器的排料口进入分离器分离后得到的目标产物天然气水合物进入天然气水合物储罐。
所述冰水混合物中冰粒的体积分数为10%至20%，所述冰粒粒径为830到1000微米。
该撞击流反应器所有与水接触的壁面，包括内层反应器的内外两表面、外层反应器内表面、导流筒的内外表面、挡板的表面、盘管冷却器的外表面、气体分布器的内外表面、进液管内外表面、天然气水合物出料管内表面、排水管内表面等均经过改性处理为非极性面。
由于反应物料是冰水混合物，并且冰的液化热高达335KJ/Kg，所以大部分的水合反应热促使冰粒融化成水，而水又构造成天然气水合物的笼形骨架；内置于反应器的冷却器能够移走部分的水合反应热。
与现有技术相比，推进式搅拌桨形成的撞击流相对速度能达到30m/s以上，高速的撞击破坏了天然气水合物的薄膜铠甲效应，并充分扩大了气-液接触面积，实现气-液-固三相界面快速更新，加快了水合反应速率，反应器内的气体转化率能达到80%以上，液体水或者冰粒转化率可达8%以上；由于冰粒直径仅有830到1000微米，加上气-液-固颗粒的碰撞和破碎，导致其表面积相当大，使水合反应热的移走速度快；另外，以推进式搅拌桨形成的撞击流制备天然气水合物，可以减少天然气和冰水混合物的循环量，从而降低能耗。
附图说明
图1是本发明提供的撞击流反应器的结构示意图；
图2是本发明提供的配套系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，一种快速制备天然气水合物的撞击流反应器，包括外层反应器1和内层反应器2，外层反应器1与内层反应器2之间设有筛板8，所述外层反应器1底部设有排料口12和排水口11，排料口12设于筛板8上方，排水口11设于筛板8下方；所述内层反应器2内设有盘管冷却器13、搅拌器5、上下两个导流筒6和气体分布器10，盘管冷却器13能够移走部分的水合反应热，搅拌器5上设有两层桨叶旋向相反的搅拌桨，两层搅拌桨分别位于内层反应器2上部导流筒的顶部和内层反应器2下部导流筒的底部；内层反应器2顶部设有进液口3和排气口4，底部设有进气口9，进气口9与气体分布器10相连通，内层反应器2侧壁上设有溢液口14。
所述进液口3靠近内层反应器2内壁，使反应器内的物料分布均匀。
所述导流筒6内壁均布有四个轴向设置的挡板7，可以增加撞击流的剧烈程度，加快了气液固的三相表面更新速率和水合反应速率。
包含所述撞击流反应器的配套系统，撞击流反应器的进液口3上连接有储罐19，储罐19上部连接有粉碎机21，储罐19与进液口3之间设有冰水高压泵20，内层反应器2的进气口9上连接有压缩机23，排气口4上连接有缓冲罐22；外层反应器1的排料口12上连接有分离器15，粉碎机21可减小冰粒的粒径，降低输送能耗，增大反应接触面积。
所述储罐19内设有冷却器18，所述内层反应器2的进气口9与气体增压机23之间设有冷却器24，可进一步降低冰水混合物和天然气的温度，避免天然气因压缩加压而产生升温现象，提高天然气水合物的生成率。
所述外层反应器1的排水口11、分离器15的出水口17分别与储罐19相连通，实现水循环。
所述缓冲罐22与压缩机23相连，实现天然气的循环。
利用所述的配套系统快速制备天然气水合物的方法，其步骤为：
（1）储罐19内的冰水混合物经过冰水高压泵20，通过进液口3向内层反应器2注入冰水混合物至冰水混合物淹没上层的搅拌桨，其中冰水混合物中冰粒的体积分数可以为10%至20%，冰粒粒径为830到1000微米。；
（2）开始搅拌至冰水混合物流动稳定后，通过进气口9向内层反应器2内通入经气体增压机23压缩过的天然气，待内外层反应器内压力达到4MPa以上时，继续注入冰水混合物，从而形成气-固-液三相混合液，其中，搅拌器的转速超过350转/min；
（3）在高速旋转的不同旋向搅拌桨推动作用下，同时耦合导流筒6和挡板7的整流效应，使得内层反应器2内上下部的流体高速相对流动，形成高速撞击流；气体经气体分布器10后形成小气泡，其在撞击流作用下直径不断减小，并且在撞击区往返多次运动，极大提高了气泡在内层反应器2内的停留时间，极大增加了其与水和冰粒的相接触面积；冰水混合物从进液口3进入内层反应器2的中部，冰粒在撞击流作用下直径不断减小，也在撞击区多次往返运动，其停留时间也大大延长，极大增加了其与气泡的相接触面积，冰粒表面形成的天然气水合物颗粒在撞击流作用下，不断破碎，天然气水合物颗粒直径逐渐减小，内层反应器2内形成的天然气水合物颗粒在撞击区多次往返运动，停留时间大为延长，提供了大量天然气水合物晶核，从而促进了更多的天然气与水或者冰生成天然气水合物。液体夹带冰粒、气泡及天然气水合物颗粒在撞击流作用下，在上下两层搅拌浆之间的中心高速碰撞破碎混合，生成大量微小天然气水合物晶体；天然气水合物的生成热由冰粒的融化和盘管换热器13内的冷流体移除，同时高速撞击流能强化该过程的热量传递；
（4）逃逸出撞击区的天然气水合物细小颗粒在上层搅拌桨上的流体区域中逐渐聚结、长大，并漂浮于内层反应器2内溶液表面，形成天然气水合物浆，当液面高度达到溢液口14时，天然气水合物浆溢流进入外层反应器1，经筛板8初步分离后，大部分水经排水口11进入储罐19循环利用，含部分水的天然气水合物浆经外层反应器的排料口12进入分离器17分离后达到目标产物天然气水合物，天然气水合物进入天然气水合物储罐储存，未反应的天然气经内层反应器2的排气口4排出的进入缓冲罐22缓冲后通过气体增压机继续循环使用。
该撞击流反应器的所有与水接触的壁面，包括内层反应器2的内外两表面、外层反应器1内表面、导流筒6的内外表面、挡板7的表面、盘管冷却器13的外表面、进气管和气体分布器10的内外表面、进液管的内外表面、天然气水合物出料管内表面、排水管的内表面等均经过改性处理为非极性面。
由于反应物料是冰水混合物，并且冰的液化热高达335KJ/Kg，所以大部分的水合反应热促使冰粒融化成水，而水又构造成天然气水合物的笼形骨架；内置于反应器的盘管冷却器能够移走部分的水合反应热。
推进式搅拌桨5形成的撞击流相对速度能达到30m/s以上，高速的撞击破坏了天然气水合物的薄膜铠甲效应，并充分扩大了气-液接触面积，实现气液固三相界面快速更新，加快了水合反应速率，反应器内的气体转化率能达到80%以上，液体水或者冰粒转化率可达8%以上。

Claims (10)

1.一种快速制备天然气水合物的撞击流反应器，其特征在于，包括外层反应器和内层反应器，外层反应器与内层反应器之间设有筛板，所述外层反应器底部设有排料口和排水口，排料口设于筛板上方，排水口设于筛板下方；所述内层反应器内设有盘管冷却器、搅拌器、上下两个导流筒和气体分布器，搅拌器上设有两层桨叶旋向相反的搅拌桨，两层搅拌桨分别位于内层反应器上部导流筒的顶部和内层反应器下部导流筒的底部，使得内层反应器内上下部的流体高速相对流动，形成高速撞击流；内层反应器顶部设有进液口和排气口，底部设有进气口，进气口与气体分布器相连通，内层反应器侧壁上设有溢液口。
2.根据权利要求1所述的撞击流反应器，其特征在于，所述进液口靠近内层反应器内壁。
3.根据权利要求2所述的撞击流反应器，其特征在于，所述导流筒内壁均布有四个轴向设置的挡板。
4.包含权利要求3所述撞击流反应器的配套系统，其特征在于，所述撞击流反应器的进液口上连接有储罐，储罐上部连接有粉碎机，储罐与进液口之间设有冰水高压泵，内层反应器的进气口上连接有气体增压机，排气口上连接有缓冲罐；外层反应器的排料口上连接有分离器。
5.根据权利要求4所述的配套系统，其特征在于，所述储罐内设有冷却器；内层反应器的进气口与气体增压机之间设有冷却器。
6.根据权利要求5所述的配套系统，其特征在于，所述外层反应器的排水口、分离器的出水口分别与储罐相连通。
7.根据权利要求6所述的配套系统，其特征在于，所述缓冲罐与气体增压机相连。
8.根据权利要求7所述的配套系统，其特征在于，所述气体增压机为压缩机。
9.利用权利要求4-8任一所述的配套系统快速制备天然气水合物的方法，其特征在于，步骤为：
（1）通过进液口向内层反应器注入冰水混合物至冰水混合物淹没上层的搅拌桨；
（2）开始搅拌至冰水混合物流动稳定后，通过进气口向内层反应器内通入天然气，待内外层反应器内压力达到4MPa以上时，继续注入冰水混合物，从而形成气-固-液三相混合体系，其中，搅拌器的转速超过350转/min；
（3）在高速旋转的不同旋向搅拌桨推动作用下，同时耦合导流筒和挡板的整流效应，使得内层反应器内上下部的流体高速相对流动，形成高速撞击流；气体经气体分布器后形成小气泡，其在撞击流作用下直径不断减小，并且在撞击区往返多次运动；冰水混合物从进液口进入内层反应器的中部，冰粒在撞击流作用下直径不断减小，在撞击区多次往返运动，冰粒表面生成天然气水合物颗粒，天然气水合物颗粒在撞击流作用下，不断破碎，天然气水合物颗粒直径逐渐减小；内层反应器内形成的天然气水合物在撞击区多次往返运动，停留时间大为延长，提供了大量天然气水合物晶核，促进了更多的天然气与水或者冰生成天然气水合物；液体夹带冰粒、气泡及天然气水合物颗粒在撞击流作用下，在上下两层搅拌浆之间的中心高速碰撞破碎混合，生成大量微小天然气水合物晶体；
（4）逃逸出撞击区的天然气水合物细小颗粒在上层搅拌桨上的流体区域中逐渐聚结、长大，并漂浮于内层反应器内溶液表面，形成天然气水合物浆，当液面高度达到溢液口时，天然气水合物浆溢流进入外层反应器，经筛板初步分离后，大部分水经排水口循环利用，含部分水的天然气水合物浆经外层反应器的排料口进入分离器分离得到目标产物。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述冰水混合物中冰粒的体积分数为10%至20%，所述冰粒粒径为830到1000微米。
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